【Java集合学习1】ArrayList集合学习及集合概述分析
JavaArrayList集合学习及集合学习概述
一、Java集合概述
Java 集合， 也叫作容器，主要是由两大接口派生而来：一个是 Collection接口，主要用于存放单一元素；另一个是 Map 接口，主要用于存放键值对。对于Collection 接口，下面又有三个主要的子接口：List、Set 和 Queue。
问题1：说说List、Set、Queue、Map四者的区别
- List(对付顺序的好帮手): 存储的元素是有序的、可重复的。
- Set(注重独一无二的性质): 存储的元素不可重复的。
- Queue(实现排队功能的叫号机): 按特定的排队规则来确定先后顺序，存储的元素是有序的、可重复的。
- Map：使用**键值对（key-value）**存储，key 是无序的、不可重复的，value 是无序的、可重复的，每个键最多映射到一个值
问题2：什么是ArrayList？简单介绍一下
ArrayList是List接口的实现类，其底层采用Object动态数组实现，不是线程安全的，ArrayList存储的元素是有序的，可重复的，ArrayList 支持插入（add）、删除（remove）、访问（get）等常见操作，并且提供了丰富的 API 操作方法。
问题3：说说ArrayList和Array（数组）的区别？
- 1、ArrayList是基于动态数组实现的创建时不需要指定大小，Array是静态数组创建时必须指定大小。
- 2、ArrayList会根据实际存储的元素动态地扩容，而 Array 被创建之后就不能改变它的长度了。
- 3、ArrayList 允许你使用泛型来确保类型安全，Array 则不可以。
- 4、ArrayList 中只能存储对象，对于基本类型数据，需要使用其对应的包装类（如 Integer、Double 等）。Array 可以直接存储基本类型数据，也可以存储对象。
- 5、ArrayList 支持插入（add）、删除（remove）、访问（get）等常见操作，并且提供了丰富的 API 操作方法。Array 只是一个固定长度的数组，只能按照下标访问其中的元素，不具备动态添加、删除元素的能力。
问题4：ArrayList 和 Vector 的区别?
- ArrayList 是 List 的主要实现类，底层使用 Object[]存储，适用于频繁的查找工作，线程不安全 。
- Vector 是 List 的古老实现类，底层使用Object[] 存储，线程安全。
问题5：Vector和Stack的区别？
- Vector 和 Stack 两者都是线程安全的，都是使用 synchronized 关键字进行同步处理。
- Stack（栈）继承自Vector（列表），栈是先进后出。
问题6：ArrayList 和 LinkedList区别
- 是否线程安全：ArrayList 和 LinkedList都是不同步的，也就是不保证线程安全。
- 底层数据结构：ArrayList 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。）
- 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList（实现了 RandomAccess 接口） 支持。（注意：虽然LinkedList不支持随机访问，但它也有get方法，可以通过get指定位置的下标来获取到对应的元素，但它是通过遍历双向链表，从头节点开始顺序遍历得到的）
- 插入和删除是否受元素位置的影响：ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)），时间复杂度就为 O(n)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。LinkedList 采用链表存储，所以在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响（add(E e)、addFirst(E e)、addLast(E e)、removeFirst()、 removeLast()），时间复杂度为 O(1)，如果是要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)，remove(Object o),remove(int index)）， 时间复杂度为 O(n) ，因为需要先移动到指定位置再插入和删除。
- 内存空间占用： ArrayList 的空间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。
问题7：LinkedList 为什么不能实现 RandomAccess 接口？
RandomAccess 是一个标记接口，用来表明实现该接口的类支持随机访问（即可以通过索引快速访问元素）。由于 LinkedList 底层数据结构是链表，内存地址不连续，只能通过指针来定位，不支持随机快速访问，所以不能实现 RandomAccess 接口。
（需要注意虽然LinkedList不支持随机访问，但它也有get方法，可以通过get指定位置的下标来获取到对应的元素，但它是通过遍历双向链表，从头节点开始顺序遍历得到的）
问题8：ArrayList 可以添加 null 值吗？
ArrayList 中可以存储任何类型的对象，包括 null 值。不过，不建议向ArrayList 中添加 null 值， null 值无意义，会让代码难以维护比如忘记做判空处理就会导致空指针异常。
二、ArrayList的扩容机制分析（***）
（一）ArrayList 的构造函数
ArrayList 的初始化方式有三种：
- 方式1：创建无参构造函数
- 方式2：创建带初始化容量参数的构造函数（用户自己指定初始容量
- 方式3：创建包含指定collection集合元素的集合
/**
* 集合的初始化方式（三种）
*/
//方式1：创建无参构造函数
List list1 = new ArrayList();
//方式2：创建带初始化容量参数的构造函数（用户自己指定初始容量）
List list2 = new ArrayList<>(5);
//方式3：创建包含指定collection集合元素的集合
List<Integer> temp = new ArrayList<Integer>();
temp.add(1);
temp.add(2);
temp.add(3);
List list3 = new ArrayList(temp);
三种方式具体的源代码如下：
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
/**
* 默认初始容量大小
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
/**
*默认构造函数，使用初始容量10构造一个空列表
(无参数构造，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，
才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为 10。)
*/
public ArrayList() {
this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}
/**
* 带初始容量参数的构造函数。（用户自己指定容量）
*/
public ArrayList(int initialCapacity) {
if (initialCapacity > 0) {//初始容量大于0
//创建initialCapacity大小的数组
this.elementData = new Object[initialCapacity];
} else if (initialCapacity == 0) {//初始容量等于0
//创建空数组
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
} else {//初始容量小于0，抛出异常
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
initialCapacity);
}
}
/**
*构造包含指定collection元素的列表，这些元素利用该集合的迭代器按顺序返回
*如果指定的集合为null，throws NullPointerException。
*/
public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
elementData = c.toArray();
if ((size = elementData.length) != 0) {
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
if (elementData.getClass() != Object[].class)
elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
} else {
// replace with empty array.
this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
}
}
注意：
以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为 10。
（二）ArrayList的扩容机制
这里以无参构造函数的方式创建ArrayList为例。
1、先来看 add 方法
/**
* 将指定的元素追加到此列表的末尾。
*/
public boolean add(E e) {
//添加元素之前，先调用ensureCapacityInternal方法
//这里size +1 作用：主要是为了确保在数组添加完元素之后仍有足够的容量，
//起到一个更加保险的作用
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//这里看到ArrayList添加元素的实质就相当于为数组赋值
elementData[size++] = e;
return true;
}
2、再来看看 ensureCapacityInternal() 方法
//得到最小扩容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
// 获取默认的容量和传入参数的较大值
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
当 要 add 进第 1 个元素时，minCapacity 为 1，在 Math.max()方法比较后，minCapacity 为 10。
3、ensureExplicitCapacity() 方法
//判断是否需要扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
//调用grow方法进行扩容，调用此方法代表已经开始扩容了
grow(minCapacity);
}
这里我们对上述进行概述分析下：
- 当我们要 add 进第 1 个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为 0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法以当前空数组长度0 和 默认值10 进行比较 ，0 < 10 所以 minCapacity 此时为 10。此时，minCapacity - elementData.length > 0成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
- 当 add 第 2 个元素时，minCapacity 为 2，此时 elementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入 （执行）grow(minCapacity) 方法。
- 添加第 3、4···到第 10 个元素时，依然不会执行 grow 方法，数组容量都为 10。
- 直到添加第 11 个元素，minCapacity(为 11)比 elementData.length（为 10）要大。进入 grow 方法进行扩容。
4、grow() 方法（***）
/**
* 要分配的最大数组大小
*/
private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
/**
* ArrayList扩容的核心方法。
*/
private void grow(int minCapacity) {
// oldCapacity为旧容量，newCapacity为新容量
int oldCapacity = elementData.length;
//将oldCapacity 右移一位，其效果相当于oldCapacity /2，
//我们知道位运算的速度远远快于整除运算，整句运算式的结果就是将新容量更新为旧容量的1.5倍，
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
//然后检查新容量是否大于最小需要容量，若还是小于最小需要容量，那么就把最小需要容量当作数组的新容量，
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
// 如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) `hugeCapacity()` 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，
//如果minCapacity大于最大容量，则新容量则为`Integer.MAX_VALUE`，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 `Integer.MAX_VALUE - 8`。
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
注意：int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右）！ 奇偶不同，比如：10+10/2 = 15, 33+33/2=49。如果是奇数的话会丢掉小数.
我们来详细探究一下grow方法：
- 当 add 第 1 个元素时，oldCapacity 为 0，经比较后第一个 if 判断成立，newCapacity = minCapacity(为 10)。但是第二个 if 判断不会成立，即 newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE 大，则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为 10，add 方法中 return true,size 增为 1。
- 当 add 第 11 个元素进入 grow 方法时，newCapacity 为 15，比 minCapacity（为 11）大，第一个 if 判断不成立。新容量没有大于数组最大 size，不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量扩为 15，add 方法中 return true,size 增为 11。以此类推······
5、hugeCapacity() 方法。
从上面 grow() 方法源码我们知道：如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果 minCapacity 大于最大容量，则新容量则为Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8。
private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
if (minCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
//对minCapacity和MAX_ARRAY_SIZE进行比较
//若minCapacity大，将Integer.MAX_VALUE作为新数组的大小
//若MAX_ARRAY_SIZE大，将MAX_ARRAY_SIZE作为新数组的大小
//MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
Integer.MAX_VALUE :
MAX_ARRAY_SIZE;
}
（三）System.arraycopy() 和 Arrays.copyOf()方法
阅读源码的话，我们就会发现 ArrayList 中大量调用了这两个方法。比如：我们上面讲的扩容操作以及add(int index, E element)、toArray() 等方法中都用到了该方法！
1、System.arraycopy() 方法
// 我们发现 arraycopy 是一个 native 方法,接下来我们解释一下各个参数的具体意义
/**
* 复制数组
* @param src 源数组
* @param srcPos 源数组中的起始位置
* @param dest 目标数组
* @param destPos 目标数组中的起始位置
* @param length 要复制的数组元素的数量
*/
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
在ArrayList使用场景：在ArrayList中的指定位置添加元素add(int index, E element)
/**
* 在此列表中的指定位置插入指定的元素。
*先调用 rangeCheckForAdd 对index进行界限检查；然后调用 ensureCapacityInternal 方法保证capacity足够大；
*再将从index开始之后的所有成员后移一个位置；将element插入index位置；最后size加1。
*/
public void add(int index, E element) {
rangeCheckForAdd(index);
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//arraycopy()方法实现数组自己复制自己
//elementData:源数组;index:源数组中的起始位置;elementData：目标数组；index + 1：目标数组中的起始位置； size - index：要复制的数组元素的数量；
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
我们来写一个简单示例：
public static void main(String[] args) {
int[] a = new int[10];
a[0] = 10;
a[1] = 20;
a[2] = 30;
a[3] = 40;
System.arraycopy(a, 2, a, 4, 3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(a[i]);
}
}
输出结果：
2、Arrays.copyOf()方法
传入一个数组指针，和新数组长度
public static int[] copyOf(int[] original, int newLength) {
// 申请一个新的数组
int[] copy = new int[newLength];
// 调用System.arraycopy,将源数组中的数据进行拷贝,并返回新的数组
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
在ArrayList中的使用场景：
/**
以正确的顺序返回一个包含此列表中所有元素的数组（从第一个到最后一个元素）; 返回的数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。
*/
public Object[] toArray() {
//elementData：要复制的数组；size：要复制的长度
return Arrays.copyOf(elementData, size);
}
个人觉得使用 Arrays.copyOf()方法主要是为了给原有数组扩容，我么来个例子：
public static void main(String[] args) {
int[] a = new int[10];
a[0] = 10;
a[1] = 20;
a[2] = 30;
a[3] = 40;
System.arraycopy(a, 2, a, 4, 3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(a[i]);
}
int[] b = Arrays.copyOf(a, 15);
System.out.println("b.length = " + b.length);
}
输出结果：
两者联系：
看两者源代码可以发现 Arrays.copyOf()内部实际调用了 System.arraycopy() 方法
两者区别：
System.arraycopy() 需要目标数组，将原数组拷贝到你自己定义的数组里或者原数组，而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置 Arrays.copyOf() 是系统自动在内部新建一个数组，并返回该数组。